移动通信网中的服务区划分技巧

根据移动通信网区域覆盖方式的不同，可将小区制移动通信网划分带状服务区和面状服务区。

图1-4-14 带状服务区

1.带状服务区及其频率配置方式

当移动用户分布呈狭长带状时，常采用带状服务区来覆盖。如高速公路，铁路，沿海水域，沿河航道等地区。这样的带状区需用若干个小区组成带状的网络才能实现最佳覆盖。

由于覆盖区狭长，带状服务区宜采用定向天线，使每个小区呈椭圆形。为了避免同频干扰，相邻接的小区不可使用同一组信道进行工作。如图1-4-14所示，相邻小区分别使用A频道组和B频道组进行通信，称为二群频率配置方式，简称双频制。

若采用A、B、C三群频道组成一群进行频率配置，则称为三群频率配置方式，简称三频制。

在规划带状服务区时，从减少建网成本和提高频率复用率的角度考虑，可以采用双群频率配置方式，但如果同频干扰过于严重，应采用三群或多群频率配置方式。日本的新干线列车无线通信系统采用的是三频组，而我国及德国列车无线通信系统则采用的是四频组。

2.面状服务区

在平面区域内划分小区，通常组成蜂窝式的网络。在带状网中，小区呈线性排列，区群的组成和同频小区的距离的计算都比较方便，而在平面分布的蜂窝网中，这是一个比较复杂的问题。

（1）小区的形状

对于大容量移动通信网来说，需要覆盖的是一个宽广的平面服务区。由于电波的传播和地形地物有关，所以小区的划分应根据环境和地形条件而定。

为了研究方便，假定整个服务区的地形地物相同，并且基站采用全向天线，覆盖面积大体上是一个圆，即无线小区是圆形的。为了不留空隙的覆盖整个平面的服务区，一个个圆形辐射区之间一定含有很多的交叠。在考虑了交叠之后，实际上每个辐射区域的有效覆盖区是一个多边形。根据交叠情况的不同，若每个小区相间120°设置三个邻区，则有效覆盖区为正三角形；若每个小区相间90°设置四个邻区，则有效覆盖区为正方形；若每个小区相间60°设置六个邻区，则有效覆盖区为正六边形。可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只有这三种。

那么这三种形状那一种最好呢？在辐射半径R相同的情况下，计算出三种形状小区的邻区距离、小区面积、交叠区宽度和交叠区面积见表1-4-1。

由表1-4-1可知，在小区面积相同（R相同）的情况下，正六边形小区有效覆盖面积最大；相邻小区交叠面积最小，各基站间同频干扰最小；相邻小区中心间距最大，各基站间相互干扰最小。在服务面积一定的情况下，采用正六边形小区来覆盖，所需基地站的数目最少，最经济，效果也最好。因此，面状服务区的最佳组成形式是正六边形，由于正六边形构成的网络形同蜂窝，常称之为蜂窝网。

表1-4-1 无线小区的形状及其有关参数

（2）区群的组成

蜂窝式移动通信网组网时，广泛采用若干个正六边形无线小区构成某种形式固定的小区群，称为单位无线区群，简称区群。再由区群彼此邻接覆盖整个服务区。在这种结构的网络中，为了防止同频干扰，相邻小区显然不能用相同的信道。为了保证信道小区之间有足够的距离，附近的若干小区都不能用相同的信道。这些不同的信道的小区组成一个区群，只有不同区群的小区才能进行信道再用。

区群的组成应满足两个条件：一是区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖；二是邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等。

满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。可以证明，区群内的小区数应满足下式：

N=a²+ab+b² （1-4-4）

式中，a、b为非负整数（不能同时为0）。由此可算出N的可能取值见表1-4-2。

表1-4-2 区群小区数

（3）同频（信道）小区的距离与寻找方法

设小区的辐射半径（即正六边形外接圆的半径）为r，则可以算出同信道小区中心之间的距离d为

图1-4-15 所示为当a、b不同时，区群中所含小区个数及同频小区的距离与半径比。(www.xing528.com)

图1-4-15 区群组成及同频小区距离与半径比

由图1-4-15可知，群内小区数N越大，同信道小区的距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。

区群内小区数不同的情况下，可用下面的方法来确定同频（信道）小区的位置。

自某一小区A出发，先沿边的垂线方向跨b个小区，再逆时针旋转60°，再跨a个小区，这样就到达同信道小区A。在正六边形的六个方向上，可以找到六个相邻同信道小区，所有A小区之间的距离都相等。

图1-4-16所示的黑色的小区周围的6个小区都是距离其最近的同频小区。

图1-4-16 a=3、b=2、N=19时同频小区

（4）载波干扰比

假定小区的大小相同，移动台的接收功率门限按小区的大小调节。若设L为同频干扰小区数，则移动台的接收载波干扰比可表示为

式中，C为最小载波强度；I_l为第l个同频干扰小区所在基站引起的干扰功率。

一般模拟移动通信系统要求C/I>18dB，假设n取值为4，根据上式可得出，区群N最小为6.49，故而一般区群N的最小值为7。

数字移动通信系统中，C/I=7～10dB，所以可以采用较小的N值。

（5）激励方式

在每个小区中，基站可设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区，这就是所谓的“中心激励”方式，如图1-4-17a。也可以将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120°扇形辐射的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域，每个小区由三副120°扇形天线共同覆盖，这就是所谓的“顶点激励”，如图1-4-17b所示。采用120°的定向天线后，所接收的同频干扰功率仅为采用全向天线系统的1/3，因而可以减少系统的通道干扰。另外，在不同的地点采用多副定向天线可以消除小区内障碍物的阴影区。

由于“顶点激励”方式采用定向天线，对来自120°主瓣之外的同频干扰信号来说，天线方向性能提供了一定的隔离度，降低了干扰，因而允许以较小的同频复用比D/r工作，构成单位无线区群的无线区数N可以降低。以上的分析是假定整个服务区的容量密度（用户密度）是均匀的，所以无线区的大小相同，每个无线区分配的信道数也相同。但是，就一个实际的通信网来说，各地区的容量密度通常是不同的，一般市区密度高，市郊密度低。为适应这种情况，对于容量密度高的地区，应将无线区适当划小一些，或分配给每个无线区的信道数应多一些。

在第一代模拟移动通信网中经常采用7×3/21区群结构，即每个区群中包含7个基站，而每个基站覆盖3个小区，每个频率只用一次。在第二代数字式GSM系统中，经常采用4×3/12模式；其结构如图1-4-18所示。

图1-4-17 激励方式

图1-4-18 GSM的常用激励方式

（6）小区分裂

在整个服务区中每个小区的大小可以是相同的，这只能适应用户密度均匀的情况。事实上服务区内的用户密度是不均匀的，例如城市中心商业区的用户密度高，居民区和市郊区的用户密度低。另考虑到用户数随时间的增长而不断增长，当原有无线小区的容量高到一定程度时，可将原有无线小区再细分为更小的无线小区，以增大系统的容量和容量密度，即实现“小区分裂”，如图1-4-19所示。

图1-4-19 小区分裂

（7）小区扇区化

小区的扇区化可以看作是小区分裂的一种特殊情况，通过将一个小区分裂成几个扇区，每个扇区拥有不同的频道，利用方向性天线进行扇区覆盖。最常使用的扇区结构是三扇区或六扇区。小区的扇区化可以减小同频干扰，提高载干比，因而系统可以使用更小的频率复用因子，使簇中小区数减小，提高频率的复用率，增大系统容量。利用小区扇区化可以提高系统容量，但会导致基站天线数目的增加，且由于某个频道的覆盖范围变小，会增加切换的次数。但现在使用的基站都支持扇区化，允许移动台在同一个小区内进行不同扇区的切换，不需要MSC的介入。